下一代電池的技術走線如何 未來5年的動力電池電芯技術預測

背景：下一代電池的技術路線。是否會突然轉向？例如從磷酸鐵鋰到三元鋰，有些企業(yè)就沒跟上節(jié)奏，而豐田都在搞燃料電池和固態(tài)電池了，韓國最近也在大力推燃料電池。

動力電池電芯技術的發(fā)展目前對于中國電動汽車的進一步發(fā)展尤為重要。電動汽車的發(fā)展是一個系統工程，包括整車的正向研發(fā)、“三電”核心技術、輕量化、智能化等很多方面，但是最基礎和最重要的應該是電池技術的突破，電池應該是破解電動汽車諸多難題，特別是里程焦慮、成本過高、性能提升關鍵要素。電池產業(yè)應該走在整個電動汽車產業(yè)創(chuàng)新的最前列。鋰動力電池的技術路線需要加快創(chuàng)新和緊迫感，這個核心因素是因為中國目前在汽車的整體技術和導向性完全在純電動汽車上面，在車輛動力系統革新各種技術路線競爭中，既有傳統燃油車的提升路線，也有混合動力的路線，近期討論和辯論比較多的氫燃料的路線。

在未來的五年內2023年左右，在動力電芯產品的開發(fā)和實際產品落地和工藝研究方面到底能進展到多大的幅度，是值得我們來仔細談一談的。

1）動力電池電芯技術的革新

動力電池從磷酸鐵鋰往三元電芯發(fā)展并不是一蹴而就的。如下圖所示，在國內快速轉化之前，國外的電芯已經在化學體系上做了一些變革。之所以給我們忽如一夜春風來的感覺，主要還是我們在磷酸鐵鋰的路線上堅持了比較長的時間。而當2016年以后轉入三元電芯開發(fā)，一下子跟上了韓國電芯的技術路徑。

圖1 國外典型企業(yè)的電芯化學體系路徑演進

在車用方面有四個重要的方面是需要解決的：

圖2 下一代動力電池的訴求

• 電芯價格的問題：隨著補貼退坡，未來的電池價格需要繼續(xù)往下降，階段性來說在2021年初，電芯價格需要往下達到7毛/Wh，約100美金/kWh。而到2023進一步降低到6毛/Wh，約80美金/kWh

• 電芯壽命：現有523體系的壽命大概是8到10年左右，重度使用可能更快一些，希望可以把它延長到10年

• 電芯安全問題：提高電芯的安全性，改良的做法是需要一點點去優(yōu)化電解液配方、隔膜等關鍵因素，需要更本征的安全機制，目前方形電芯的過充的保護和泄壓閥機制帶來的頂蓋成本需要進一步降低

• 電芯能量密度：國家定下的硬性目標是2020年實現產品層級可實現300Wh/kg，具體到產品落地上是否能兼顧以上的種種還需要有2年的時間

在這里還是重點探討一下電池比能量對電動汽車發(fā)展的影響。目前主要的純電動汽車平臺規(guī)劃可以分為如下幾個檔次。由于電池帶電量普遍會從40kWh開始，電池比能量是決定車續(xù)航里程的重要因素。目前的電池系統的主流能量密度在140kWh/kg-160kWh/kg之間。

表1 面向2020年的電池規(guī)劃

想要在各個車型上面獲取更多的續(xù)航里程來滿足客戶，很重要的就是降低電池的重量，盲目的通過增加電池重量來增大續(xù)航里程，如下下圖所示會導致電池重量占整車整備質量占比較高，導致了能耗的增加，可載重量的減少。在目前的技術條件下，系統的能量密度在140-160瓦時/公斤，續(xù)航里程設計都已經普遍集中到了350-400Km。而國內高端車型是在2020年左右，通過電芯設計的優(yōu)化，往上把續(xù)航里程提高500Km。目前來看國外的大眾MEB平臺、BMW 的INEXT系列和奔馳的EQ系列都是規(guī)劃了不同的能量，通過控制總的總量來選擇。

圖3 不同能量密度和電池的配置的電池系統重量

根據現在主流的動力電池的實際情況，產品迭代速度也分為激進路線和平和路線，實際上需要在滿足安全性、壽命等指標的情況下，來綜合考慮能量密度；雖然能量密度的提高會帶來成本的大幅度降低，對于制造同一個大小的電池來說，電池瓦時數高了，每瓦時的制造成本就會降低。在制造層面環(huán)境控制的要求，短期內也有個產線改造的過程。

圖4 國內外主流電芯的能量密度的路線

從現在主流的電池供應商的反饋來說，未來五年的電芯的技術研發(fā)層面可能較快，但是為了符合車輛的要求迭代速度其實并沒有我們想象的更快，汽車企業(yè)因此在現有的技術路線上直接去嘗試固態(tài)電池，以跨越式的路徑嘗試來解決問題。前端時間，大眾近日宣布向QuantumScape投資了約1億美元，目標是在2025年前建立固態(tài)電池生產線。大眾將會派遣一位高管擔任QuantumScape董事會成員，該公司計劃在2025年研發(fā)并擁有可量產的固態(tài)電池。在日本，日本政府、日本電池制造商及本田、日產和豐田三大主要汽車制造商將聯合研發(fā)固態(tài)鋰離子電池。但是根據幾位大佬的表態(tài)來看，時間節(jié)點要在2025年后了。

• 日產研究與先進工程高級副總裁Takao Asami接受采訪說，2025年前，固態(tài)電池技術還不夠完善到用于電動汽車中，障礙包括成本和生產難度等，固態(tài)電池想要運用在車輛上基本上都還處于初始研究階段。

• 豐田董事長內山田武(Takeshi Uchiyamada），表示：“我們正在努力研究，如果想大規(guī)模量產，還有一些問題沒有解決。

如下圖所示，這也代表在研發(fā)層面需要在內部和外部創(chuàng)新公司共同解決，短期內無法排上用處。

圖5 車企的固態(tài)電池投資面臨著很多現實的問題

小結：冷靜下來看，近五年的動力電池電芯技術每年都有一些逐步的提升，但是要足夠支撐整個電動汽車的快速普及，電芯層面的創(chuàng)新速度可能不及我們的預期。